Как измерить магнитную проницаемость ферритового кольца
Статья сделана на основе идеи и кода со странички [1], добавлена только возможность намотки произвольного количества витков на катушку (>5) — чем больше витков, тем выше точность измерения магнитной проницаемости. Формула для расчета проницаемости следующая:
μ = 2500 * L * (Dout + Din) / (H * (Dout — Din) * N 2 )
Здесь μ проницаемость, L индуктивность в мкГн, Dout внешний диаметр, Din внутренний диаметр, H высота кольца (все размеры в мм), N число витков.
• Пробную обмотку (не менее 5 витков) размещать равномерно по кольцу.
• При дробных значениях десятичным знаком является точка (13.4 или 6523.23).
• Внимание! Действующими витками считаются витки, проходящие сквозь кольцо, т. е. на кольце можно намотать только целое число витков.
• Не удивляйтесь полученным результатам. Например, при предполагаемом значении проницаемости 600 можно получить от 400 до 800 — такие у нас допуски при производстве ферритов.
[Ссылки]
Как определить начальную магнитную проницаемость феррита?
В практике иногда возникают случаи, когда требуется определить начальную магнитную проницаемость различных ферритовых изделий, имеющих замкнутый магнитопровод (кольца, П или Ш-образные магнитопроводы), которые не имеют маркировки.
Сделать это можно проведя эксперимент: на магнитопровод необходимо намотать обмотку и измерить индуктивность получившейся катушки. При этом необходимо учесть, что обмотка должна быть равномерно намотана и покрывать всю поверхность магнитопровода. Если магнитопровод Ш-образный, то измерительная обмотка наматывается на среднем керне.
Магнитная проницаемость кольцевых магнитопроводов определяется по формуле:
где D — внешний диаметр кольца, см; d — внутренний диаметр кольца, см; h — высота кольца, см; L — измеренная индуктивность катушки, мкГн; n — число витков катушки.
Если магнитопровод Ш-образный, то начальную магнитную проницаемость рассчитывают по формуле:
где l — средняя длина силовых магнитных линий, см; S — сечение центральной части магнитопровода (керна), см 2 .
В радиолюбительской практике наибольшее применение нашли изделия из ферритов марок НН, НМ или ВЧ. Ферриты марки НМ легко определить, если измерить их сопротивление с помощью тестера, для чего щупами прибора на расстоянии до 1 мм необходимо коснуться феррита. При этом феррит марки НМ покажет сопротивление от десятков до сотен килоом, ферриты марок НН, и ВЧ имеют практически бесконечное сопротивление. Наличие сопротивления ферритов марки НМ при намотке проводом требует обязательного покрытия его изоляцией. Это может быть покрытие феррита марки НМ лаком, предварительная обмотка фторопластовой или полиэтиленовой пленкой. В противном случае при повреждении изоляции провода и касании им сердечника проводящего феррита могут образоваться короткозамкнутые витки, приводящие к перенасыщению феррита и отказам в схемах устройств. Для ферритов марок НН и ВЧ такая процедура не обязательна. При определении феррита марок ВЧ или НН необходим измеритель добротности Q-метр или в крайнем случае генератор сигналов ГСС, высокочастотный вольтметр или осциллограф.
Для ферритовых колец достаточно намотать около 25 витков провода в изоляции. При этом ферриты типа НН на стандартной частоте 1МГц дадут добротность всего несколько единиц, ферриты марок ВЧ 20, 50, 100 — от 100 до 200, а ферриты марки ВЧ 30 — до 350.
При отсутствии измерителя добротности различить кольца НН от ВЧ можно, если собрать простейший резонансный контур, в котором индуктивностью служит феррит с намотанной на нем обмоткой. О величине добротности можно судить по “остроте” резонанса контура.
Крепление ферритов во избежание короткозамкнутых витков ни в коем случае нельзя производить с помощью замкнутых кусочков провода.
Магнитная проницаемость ферритовых колец
Магнитная проницаемость зависит как от свойств вещества, так и от величины и направления магнитного поля (а кроме того от температуры, давления и т.д). Также зависит от характера изменения поля со временем, в частности, для синусоидального колебания поля — зависит от частоты этого колебания (в этом случае вводят комплексную магнитную проницаемость чтобы описать влияние среды на сдвиг фазы ‘B’ по отношению к ‘H’). При достаточно низких частотах (небольшой быстроте изменения поля) ее можно обычно считать в этом смысле константой. Магнитная проницаемость сильно зависит от величины поля для нелинейных сред (типичный пример — ферромагнетики, для которых характерен гистерезис). Для таких сред магнитная проницаемость как независящее от поля число может указываться приближенно.
Маркировка размеров кольцевых сердечников. Сначала цифрами указывается величина начальной магнитной проницаемости, затем марка используемого материала, и потом размер кольца в миллиметрах:
2000НН D x d x h
Где – 2000 величина начальной магнитной проницаемости,НН – марка материала,D – внешний диаметр, d – внутренний диаметр, h – толщина кольца, все размеры в миллиметрах.
Ферриты общего применения– это ферриты марки 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ, изготавливаемые на основе марганец- цинковых, и марки 100НН, 400НН, 600НН, 1000НН, 2000НН, изготовленных на основе никель- цинковых ферритов. Ферриты марок НН применяют в слабых и средних магнитных полях при отсутствии жестких требований к температурной и временной стабильности: в отклоняющих системах кинескопов,в дросселях схем коррекции, в магнитных антеннах и контурах входных трактов радиоприемных устройств. Рекомендуется использовать при температуре окружающей среды от -60ºС до +90ºС и в диапазоне частот:
100НН —до 30 МГц, 400НН —до 3,5 МГц, 600НН —до 1,5 МГц, 1000НН — до 400 кГц.
Записки программиста
Рано или поздно любой радиолюбитель сталкивается с необходимостью опознать неизвестное ферритовое кольцо. Возможно, кольцо просто долго пролежало в коробке, и вы забыли, из какого оно материала. А может быть, вы хотите перепроверить за продавцом, что он продал вам то, что нужно. Учитывая, что какие-нибудь FT240-43 и FT240-31 внешне практически неразличимы, их немудрено перепутать безо всякого злого умысла. Давайте же выясним, как с неплохой точностью опознать неизвестное кольцо.
Примечание: Если вы недавно стали следить за блогом, или просто проходили мимо, то, возможно, не понимаете, о каких таких ферритовых кольцах речь. Примеры их использования вы найдете в заметках Самодельный диполь: теория и практика, Самодельный балун по току 1:4, и далее по ссылкам.
Для начала рассмотрим немного другую задачу. Есть кольцо с внешним диаметром D1, внутренним диаметром D2, высотой h и известной магнитной проницаемостью μ. На кольцо намотана катушка из N витков. Спрашивается, какова будет индуктивность катушки? Эмпирические формулы были найдены в статье Расчет катушки на ферритовом кольце на сайте coil32.ru, которая в свою очередь ссылается на книгу 1986-го года «Справочник по расчетам на микрокалькуляторах», автор Дьяконов В.П.
Индуктивность в микрогенри для D1/D2 ≥ 1.75:
Все размеры в приведенных формулах — в миллиметрах.
Так вот, имея перед глазами эти формулы, нетрудно придумать алгоритм определения ферритового кольца. Замеряем его размеры. Наматываем катушку и измеряем ее индуктивность. По формулам определяем μ. Затем сверяемся с даташитами на ферритовые кольца в поисках похожих значений.
Чтобы не считать руками, был написан скрипт на Python:
#!/usr/bin/env python3
# vim: set ai et ts=4 sw=4:
import argparse
from math import log
parser = argparse . ArgumentParser (
description = ‘Ferrite core permeability calculator’
)
parser . add_argument (
‘-t’ , metavar = ‘T’ , type = float , required = True ,
help = ‘Core thickness, mm’ )
parser . add_argument (
‘-di’ , metavar = ‘Di’ , type = float , required = True ,
help = ‘Core internal diameter, mm’ )
parser . add_argument (
‘-de’ , metavar = ‘De’ , type = float , required = True ,
help = ‘Core external diameter, mm’ )
parser . add_argument (
‘-n’ , metavar = ‘N’ , type = float , required = True ,
help = «Number of turns (10-15 should be fine)» )
parser . add_argument (
‘-l’ , metavar = ‘L’ , type = float , required = True ,
help = ‘Meadured inducatence, uH’ )
args = parser . parse_args ( )
T = args. t
Di = args. di
De = args. de
N = args. n
L = args. l
if De/Di >= 1.75 :
u = L / ( 0.0002 *T*N*N*log ( De/Di ) )
else :
u = ( L * ( De + Di ) ) / ( 0.0004 *T*N*N* ( De-Di ) )
print ( «Initial magnetic permeability: <>» . format ( u ) )
print ( «Inductance factor of the core (Al): <>» . format ( Al ) )
То, что мы в этой статье называем просто μ, в даташитах обычно обозначается μi и называется начальной магнитной проницаемостью (initial magnetic permeability). Дело в том, что вообще-то μ является функцией от частоты. В даташитах указывается магнитная проницаемость для частоты 10 кГц. Некоторые производители вместо μi указывают фактор индуктивности, обозначаемый AL. Фактор индуктивности вычисляется из индуктивности катушки и числа витков по незамысловатой формуле, что используется в скрипте.
Давайте же опознаем неизвестное кольцо:
Для определения μ скармливаем скрипту размеры кольца, число витков и измеренную индуктивность катушки:
$ ./permeability.py -t 12.5 -di 35 -de 61 -n 10 -l 107.4
Initial magnetic permeability: 793.1076923076924
Inductance factor of the core (Al): 1074.0
Открываем табличку на сайте fair-rite.com и ищем материал с близким значением магнитной проницаемости. Приходим к выводу, что перед нами скорее всего 43-я смесь, для которой μ = 800 ± 20%.
Давайте попробуем на еще одном кольце:
$ ./permeability.py -t 12.5 -di 35 -de 61 -n 10 -l 239
Initial magnetic permeability: 1764.923076923077
Inductance factor of the core (Al): 2390.0
Тут чуточку сложнее, потому что чисто по магнитной проницаемости это может быть как 15-ая смесь, так и 31-ая, обе с μ = 1500 ± 20%. Но во-первых, я знаю, что отродясь не покупал кольца на 15-ой смеси. Во-вторых, беглый поиск в интернете показывает, что кольца на 15-ой смеси не бывают такими большими и обычно покрашены в красный цвет. Делаем вывод, что перед нами кольцо на 31-ой смеси.
Само собой разумеется, ничто не мешает использовать и другую информацию. Например, о плотности материала. Имеющееся у меня кольцо FT240-43 весит 125 г. Кольцо FT240-31 — полегче, около 116 г. Кроме того, если приглядеться, можно заметить небольшие отличия в цвете и текстуре материалов — 43-ий материал темно-асфальтового цвета, а 31-ый чуточку светлее, скорее темно-серый. Ну или, по крайней мере, это справедливо в отношении имеющихся у меня экземпляров.
Я проверял описанную методу и на других кольцах, с ними она также сработала. Конечно же, такой подход не универсален. Но если вы помните, какие кольца обычно используете в своих проектах, и вам нужно только отличить одно кольцо от другого, то способ работает весьма неплохо.
Ну и напоследок маленький совет. Когда вы опознали кольцо, обязательно подпишите его. Для этого хорошо подходит белая замазка. Тогда кольцо не придется опознавать заново.
Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.